1. Vvedenie

Odna iz samyh aktual'nyh i v to zhe vremya vyzyvayushaya ozhestochennye spory problema sovremennoi geofiziki – vozdeistvie solnechnoi aktivnosti na sostoyanie nizhnei atmosfery i pogodu Zemli.

Vopros o real'nosti i fizicheskom mehanizme solnechno-zemnyh svyazei imeet dlitel'nuyu istoriyu. Tak, eshe v konce proshlogo veka russkii uchenyi G. Vil'd issledoval svyaz' mezhdu solnechnoi aktivnost'yu i temperaturoi vozduha v Rossii. Pozdnee amerikanec V. Roberts dokazal sushestvovanie 22-letnei povtoryaemosti zasuh v zapadnyh oblastyah SShA; U. Shuurmans i A. Oort obnaruzhili regulyarnye izmeneniya vysoty urovnei postoyannogo davleniya v troposfere, svyazannye s intensivnymi solnechnymi vspyshkami; B. Tinslei s kollegami vyyavili variacii vysotnogo profilya temperatury v troposfere vo vremya forbush-ponizhenii intensivnosti potoka galakticheskih kosmicheskih luchei (podrobnee sm. stat'yu Yu.I. Stozhkova "Kosmicheskie luchi" v etom tome).

Perechen' eksperimental'nyh dannyh, svidetel'stvuyushih o nalichii statisticheski dostovernyh svyazei mezhdu razlichnymi pogodnymi yavleniyami i solnechnoi (i magnitnoi) aktivnost'yu, mozhno bylo by uvelichit' v desyatki ili dazhe sotni raz. I tem ne menee sama ideya o vliyanii solnechnoi aktivnosti na sostoyanie nizhnei atmosfery mnogimi geofizikami reshitel'no otvergaetsya. Delo v tom, chto moshnost' atmosfernyh processov na neskol'ko poryadkov prevyshaet potok energii, vnosimoi v magnitosferu Zemli solnechnym vetrom; v svyazi s etim predstavlyaetsya maloveroyatnym, chtoby solnechnaya aktivnost' mogla sushestvenno vozdeistvovat' na sostoyanie nizhnei atmosfery.

Odnako issledovaniya, vypolnennye za poslednie gody, pozvolili naiti klyuch k preodoleniyu etogo protivorechiya i tem samym k resheniyu problemy solnechno-zemnyh svyazei.

2. Effekty solnechnoi i magnitnoi aktivnosti v variaciyah skorosti cirkulyacii nizhnei atmosfery Zemli

Na ris. 1 po dannym Glavnoi geofizicheskoi observatorii (Pulkovo, Sankt-Peterburg) predstavleny variacii srednegodovyh temperatur vozduha v Peterburge za period s 1775 po 1982 god.

Obrashayut na sebya vnimanie sleduyushie osobennosti v hode temperatur za etot period.

1. Obshee postepennoe uvelichenie srednegodovoi temperatury za rassmatrivaemye dvesti let ot 3°C v 1775-1815 godah do 4,5°S v nastoyashee vremya, ob'yasnyaemoe, skoree vsego, parnikovym effektom.

2. Intensivnye (s amplitudoi 1-2°S) "vysokochastotnye" kolebaniya s periodom 2-3 goda.

3. Otnositel'no dolgoperiodicheskie kolebaniya s periodom do neskol'kih desyatkov let. Harakternyi period etih kolebanii blizok k periodu variacii solnechnoi aktivnosti. V chastotnyh spektrah variacii kak solnechnoi aktivnosti, tak i temperatury vozduha nablyudayutsya piki na periodah 11-13, 21-23, 35-43, 52-57 i 100 let. Koefficient korrelyacii mezhdu nimi raven 0,45 i statisticheski dostoveren, chto svidetel'stvuet o real'nosti svyazi mezhdu variaciyami temperatury i solnechnoi aktivnosti.

Ris. 1. Variacii srednegodovoi temperatury v Peterburge

Chrezvychainaya izmenchivost' pogody v Peterburge obuslovlena, kak izvestno, prohozhdeniem atlanticheskih ciklonov, traektorii kotoryh, v svoyu ochered', opredelyayutsya topografiei izobaricheskih poverhnostei i, sledovatel'no, harakterom obshei cirkulyacii atmosfery, na kotoruyu vliyayut izmeneniya solnechnoi i magnitnoi aktivnosti.

Ris. 2. Variacii indeksa Blinovoi δA na razlichnyh izobaricheskih urovnyah. N – kolichestvo rassmotrennyh sobytii. Vertikal'nymi otrezkami pokazana velichina standartnogo otkloneniya

Na ris. 2 pokazana poluchennaya osredneniem dannyh neskol'kih vozmushenii variaciya indeksa Blinovoi, harakterizuyushego intensivnost' zonal'noi cirkulyacii atmosfery, na razlichnyh izobaricheskih urovnyah v hode magnitosfernogo vozmusheniya; za nulevoi (t=0) prinyat den' nachala intensivnogo geomagnitnogo vozmusheniya. (Indeks Blinovoi opredelyaetsya kak A=10³ α/ω, gde α – srednyaya (v poyase shirot φ=45°-65° ) uglovaya skorost' zonal'nogo dvizheniya atmosfery otnositel'no poverhnosti Zemli i Ω=2π/86 400 – uglovaya skorost' vrasheniya Zemli; na shirote Peterburga ( φ=60°) velichina A=1 sootvetstvuet lineinoi skorosti vetra V=23 sm/s.) Razvitie geomagnitnogo vozmusheniya (ris. 2) soprovozhdaetsya otchetlivoi variaciei skorosti cirkulyacii atmosfery: v intervale ot minus pervogo do plyus vtorogo dnya indeks Blinovoi okazyvaetsya na odnu-dve edinicy vyshe, a v intervale ot tret'ego do sed'mogo dnya – na odnu-tri edinicy nizhe srednego urovnya.

Takim obrazom, skorost' atmosfernoi cirkulyacii okazyvaetsya na 20-40 sm/s vyshe normy na nachal'noi faze i na 20-60 sm/s nizhe na pozdnei faze vozmusheniya.

Pod deistviem inercionnyh sil Koriolisa skorost' vetra napravlena perpendikulyarno gradientu davleniya, to est' vdol' izobar. Sootvetstvenno azimutal'naya (to est' napravlennaya vdol' geograficheskoi paralleli na vostok) komponenta skorosti vetra

Takim obrazom, indeks Blinovoi dlya poyasa shirot ( φ₁, φ₂) na nekotoroi vysote h_i svyazan s raznost'yu davleniya na granicah poyasa na etoi zhe vysote sootnosheniem

Privedennye v tablice dannye pokazyvayut, chto velichina δΦ sostavlyaet v srednem okolo 17 m v pervyi den' vozmusheniya i okolo -23 m na chetvertyi-pyatyi den'. Pri etom sovershaetsya rabota poryadka ±5-7·10²⁶ erg. V to zhe vremya iz solnechnogo vetra v magnitosferu Zemli postupaet energiya ≈10²³ erg/sut, chto na 3-4 poryadka men'she energii rassmatrivaemogo atmosfernogo vozmusheniya. Takim obrazom, neposredstvenno solnechnyi veter ne mozhet byt' energeticheskim istochnikom atmosfernyh vozmushenii, chto i yavlyaetsya odnim iz osnovnyh dovodov protiv vozmozhnosti vozdeistviya solnechnoi aktivnosti na pogodnye yavleniya. Kakovy vozmozhnye istochniki energii atmosfernyh vozmushenii?

Ris. 3. Variacii srednesutochnyh (sleva) i osrednennyh po 81-dnevnym intervalam (sprava) velichin: a – polnaya solnechnaya radiaciya S; b – blokirovka solnechnoi radiacii pyatnami Sq Ps; v – ostatochnaya solnechnaya radiaciya Sc= S-Sq(1+Ps); g – intensivnost' solnechnoi radiacii v linii Lα

3. Variacii intensivnosti solnechnogo izlucheniya

Spektr izlucheniya Solnca blizok k spektru absolyutno chernogo tela, nagretogo do temperatury 5770 K pri sushestvennom deficite izluchaemoi energii v diapazone blizhnego ul'trafioleta (UF). Intensivnost' solnechnoi radiacii v dalekom UF i v rentgenovskom diapazone na neskol'ko poryadkov bol'she sootvetstvuyushego izlucheniya absolyutno chernogo tela. Razlichie v spektrah Solnca i absolyutno chernogo tela ob'yasnyaetsya tem, chto korotkovolnovoe izluchenie v razlichnyh diapazonah dlin voln generiruetsya v razlichnyh oblastyah atmosfery Solnca.

V chastnosti, izluchenie s dlinoi volny λ<1500 Å generiruetsya v hromosfere i korone Solnca, to est' v oblastyah, temperatura kotoryh mnogo vyshe temperatury fotosfery. V to zhe vremya izvestno, chto parametry hromosfery i korony ves'ma izmenchivy i sushestvenno zavisyat ot urovnya solnechnoi aktivnosti, tak chto neudivitel'no, chto intensivnost' korotkovolnovogo izlucheniya Solnca takzhe sushestvenno izmenyaetsya izo dnya v den' i s urovnem solnechnoi aktivnosti. Otnositel'naya velichina ciklicheskoi variacii intensivnosti solnechnogo izlucheniya dostigaet 10 pri λ=300-500Å i rezko umen'shaetsya pri λ>2000Å. V rezul'tate solnechnaya postoyannaya ne ispytyvaet variacii bolee 0,1 %.

V poslednee vremya poyavilos' mnogo publikacii, svidetel'stvuyushih o tom, chto intensivnost' solnechnoi radiacii, ochevidno, zavisit ot raspredeleniya na poverhnosti Solnca aktivnyh obrazovanii, takih, kak solnechnye pyatna, fakely i flokkuly.

Poyavlenie na diske Solnca otnositel'no temnyh pyaten mozhet vyzvat' oslablenie intensivnosti solnechnogo izlucheniya na neskol'ko desyatyh dolei procenta. K tomu zhe fakely vyzyvayut uvelichenie solnechnoi radiacii. I hotya uvelichenie yarkosti Solnca v oblasti fakelov sostavlyaet lish' neskol'ko procentov, oblast', zanyataya imi, obychno na poryadok bol'she summarnoi ploshadi pyaten, tak chto obuslovlennye etimi obrazovaniyami variacii intensivnosti solnechnoi radiacii okazyvayutsya odnogo poryadka.

Na ris. 3,a (levyi stolbec) predstavleny variacii obshei intensivnosti svecheniya Solnca v techenie 1982 goda; na ris. 3,b – velichina oslableniya etogo svecheniya, obuslovlennogo prohozhdeniem po disku Solnca pyaten: δS=S_q P_s, gde S_q – intensivnost' svecheniya "spokoinogo" Solnca i P_s – "funkciya blokirovki" etogo svecheniya pyatnami. Nekotorye iz minimumov izlucheniya (naprimer, imevshie mesto v fevrale, marte, iyune i iyule) deistvitel'no obuslovleny effektom solnechnyh pyaten. V to zhe vremya ostatochnaya solnechnaya radiaciya (to est' velichina, ravnaya S_c=S-S_q(1+ P_s)), harakterizuyushaya izbytochnuyu radiaciyu i predstavlennaya na ris. 3,v, korreliruet s intensivnost'yu emissii v linii L_α, generiruemoi v oblasti yarkih magnitnyh obrazovanii vne aktivnoi oblasti (ris. 3,g).

Takim obrazom, prohozhdenie aktivnyh obrazovanii po disku Solnca deistvitel'no moduliruet summarnuyu intensivnost' solnechnogo izlucheniya. Vmeste s tem amplituda etih variacii, kak vidno iz ris. 3,a, ne prevyshaet 0,25 %.

V pravom stolbce na ris. 3 predstavleny sglazhennye po 81-dnevnym intervalam variacii teh zhe velichin S, S_q P_s, S_c i L_α v hode odinnadcatiletnego solnechnogo cikla. Intensivnost' solnechnogo izlucheniya ispytyvaet takzhe i otchetlivuyu ciklicheskuyu variaciyu: velichina S maksimal'na v 1981-1982 i 1989 godah, to est' v epohu maksimuma solnechnoi aktivnosti, i minimal'na v 1985-1987 godah, to est' v epohu minimuma solnechnoi aktivnosti. Odnako amplituda ciklicheskoi variacii intensivnosti solnechnogo izlucheniya okazyvaetsya dazhe men'she amplitudy kratkovremennyh variacii i sostavlyaet okolo 0,1 %.

Takim obrazom, variacii solnechnoi radiacii ne yavlyayutsya energeticheskim istochnikom rassmatrivaemyh atmosfernyh vozmushenii. V svyazi s etim chrezvychaino interesnymi predstavlyayutsya poluchennye russkimi uchenymi K.Ya. Kondrat'evym i G.A. Nikol'skim rezul'taty, svidetel'stvuyushie o zametnom (do 6 %) izmenenii v hode odinnadcatiletnego solnechnogo cikla prozrachnosti atmosfery.

4. Variacii prozrachnosti atmosfery

Otnositel'no plotnaya atmosfera nadezhno zashishaet zemnuyu poverhnost' ot smertonosnoi korotkovolnovoi radiacii s λ<3000Å. Shirokoe okno v atmosfernom ekrane nablyudaetsya na dlinah voln λ=3000-10000Å, to est' v oblasti maksimuma intensivnosti v spektre solnechnogo izlucheniya, chto obespechivaet proniknovenie bol'shei chasti solnechnoi energii v nizhnyuyu atmosferu i k poverhnosti Zemli. Ne menee vazhno sushestvovanie i vtorogo okna na dlinah voln poryadka λ=7000-15000Å. Eta dlina volny sootvetstvuet maksimumu izlucheniya absolyutno chernogo tela, nagretogo do temperatury T≈300 K, chto blizko k srednei temperature poverhnosti Zemli. Takim obrazom, infrakrasnoe okno igraet sushestvennuyu rol' v regulirovanii temperatury vozduha v nizhnei atmosfere.

Itak, parametry vhodnogo i vyhodnogo okon v atmosfernom ekrane takovy, chto obespechivayut na poverhnosti Zemli i v nizhnei atmosfere imenno tu temperaturu, kotoraya neobhodima dlya sushestvovaniya organicheskoi zhizni. Zametim, chto takoe sochetanie uslovii yavlyaetsya, po krainei mere dlya planet Solnechnoi sistemy, unikal'nym, chto delaet Zemlyu edinstvennym v svoem rode kosmicheskim ob'ektom.

Odnako opticheskie harakteristiki atmosfery ne yavlyayutsya raz i navsegda zadannymi velichinami. Pogloshenie solnechnogo izlucheniya v atmosfere zavisit ot soderzhaniya v nei ozona, vodyanyh parov, okisi ugleroda i drugih "malyh sostavlyayushih", koncentraciya kotoryh mozhet sushestvenno menyat'sya. V rezul'tate etogo termodinamicheskoe ravnovesie v atmosfere yavlyaetsya ves'ma hrupkim i legko mozhet byt' narusheno. Postoyanno vozrastayushii pritok v atmosferu uglekislogo gaza, obrazuyushegosya v rezul'tate tehnicheskoi deyatel'nosti cheloveka, privodit k umen'sheniyu skorosti vyvoda tepla iz atmosfery (parnikovyi effekt) i sootvetstvenno k povysheniyu temperatury Zemli (ris. 1).

Zametnoe izmenenie himicheskogo sostava i soderzhaniya malyh sostavlyayushih, a takzhe prozrachnosti atmosfery vyzyvaetsya, v chastnosti, variaciyami potoka ioniziruyushego izlucheniya v atmosfere, nablyudaemymi vo vremya magnitosfernyh vozmushenii.

Osnovnye tipy takih variacii: 1) kratkovremennye ponizheniya intensivnosti galakticheskih kosmicheskih luchei (GKL), nablyudaemye vo vremya geomagnitnyh vozmushenii (nazyvaemyh forbush-ponizheniyami), i obuslovlennye rasseyaniem energichnyh zaryazhennyh chastic magnitnymi polyami, vynosimymi iz atmosfery Solnca vysokoskorostnymi potokami solnechnogo vetra, i 2) vspleski potokov